铁碳相图

第一章有关材料科学的一些基本概念铁碳状态图纯金属的结晶：在恒定温度下进行。合金的结晶：在某一温度范围内进行。为什么合金的结晶过程要比纯金属复杂？因为在结晶过程中合金内各种相的成分发生变化。什么是状态图（相图）？状态图就是表明合金系在结晶过程中各种组织的形成及变化规律的简明图解。相图的作用：研究合金成分，温度和组织之间关系的一个极其重要的工具。在生产实践中，为制订合金的铸造，锻压和热处理工艺，都是以合金状态图作为重要依据的。因此掌握合金状态图，了解合金成分，组织与性能的关系是使用金属材料，制定合理工艺的重要基础。纯铁的冷却曲线Cu-Ni合金状态图（匀晶相图）二元合金状态图有两个坐标轴，即温度轴和浓度轴构成的图形，表示合金在不同成分(浓度)和温度下所具有的组织状态以及它们之间的变化规律。★★★状态图（相图）上所表示的合金的组织状态都是在极缓慢的冷却条件下所获得的产物，即平衡组织。Iron纯铁α－Fe体心立方晶格（＜912℃）γ－Fe面心立方晶格（1394—912℃）deltairon（δ－Fe）体心立方晶格（1538～1394℃）铁的同素异形体一、铁与铁碳合金相铁是钢铁材料的基本元素，有时把所有钢铁材料统称为铁基合金。(一)纯铁铁的物理性质：铁的结晶温度(熔点)为1538℃，在固态下有同素异构转变。(二)铁碳合金相铁与碳组成的重要合金相：铁素体、奥氏体和渗碳体等。铁素体：碳溶于α—Fe(或δ-Fe)中形成的间隙固溶体，用符号“α”或“F”表示。铁素体的最大含碳量：0.0218％C(727℃)由于铁素体的含碳量极少，其机械性能与工业纯铁无差别。奥氏体：碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶休，用符号“γ”或“A”表示。在727℃时，γ—Fe溶碳约为0．77％，随着温度升高，溶碳量增加。奥素体的最大含碳量：2．11％（1148℃）。奥氏体性能：具有良好的塑性，但强度不高，适于锻压加工。渗碳体：与碳相互作用形成具有复杂晶格的间隙化合物，其分子式为Fe3C。Fe3C的含碳量：6．69％熔点约为1600℃。渗碳体的性能：硬度很高、但塑性却极低(几乎近于零)，是一种硬而脆的相。Fe3C是铁碳合金中的基本相，可以和其他相组成各种类型的组织。Fe3C是一个不稳定的化合物，在一定条件下按下式分解：Fe3C＝3Fe+C分解出来的单质状态的碳称为石墨。石墨具有简单六方结构，其强度和塑性均极低，但由于石墨的存在，使得铸铁具有某些优异的性能。二、Fe—Fe3C状态图分析Fe—Fe3C的左上角部分为包晶反应，实际应用较少，为讨论方便，可将其简化为一点A。Fe—Fe3C状态图中的特性点和特性线主要特性线：ACD线为液相线，在此线以上合金均呈液态。AECF线为固相线，在此线以下合金全部呈固态．ECF和PSK两条水平线是铁碳合金在恒温下两条重要的转变线：铁碳状态图FeFe3CPAECF线:共晶反应线LcγE+Fe3C(1148℃)反应产物：莱氏体（γE+Fe3C）用“Le”表示。PSK线：共析反应线γsαF+Fe3C(727℃)反应产物：珠光体（αp+Fe3C）用“P”表示。S点称共析点，PSK线亦称A1线钢：＜2.11%C生铁：＞2.11%C共析钢：=0.77%C亚共析钢：＜0.77%C过共析钢：＞0.77%C三、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响含碳量不同，铁碳合金的结晶过程及其平衡组织也有很大差异；由于含碳量不同而有显微组织的差异，从而带来铁碳合金性能上的区别。尽管铁碳合金的组织组成物不同，但从相组成物来看都是由铁素体和渗碳体（α+Fe3C）两个相所构成的。钢中各种相的性能：铁素体相是含碳极低的固溶体，是属于软韧相。渗碳体是金属化合物，它的性能既硬又脆，但当它和铁素体组成珠光体时则成为强化相。因为片层相间的铁素体与渗碳体组成的珠光体具有较高的硬度和强度，但塑性却较低。珠光体：较高的硬度和强度，但塑性却较低。碳对钢的机械性能的影响四、Fe—Fe3C状态图的应用合金状态图是重要工具，通过它了解合金的结晶过程，分析合金成分、温度以及组织和性能之间的变化规律，确定如何正确地使用金属材料并制定合理的工艺，因此它对指导生产实践有着重要意义。(一)为什么钢和生铁以含碳量2．11％作为分界线？从Fe—Fe3C状态图可知，只有含碳量小于2．11％的铁合金在高温时才能完全呈单相奥氏体状态，奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗力，锻造性能好；含碳量大于2．11％时，合金中有共晶组织出现，因该组织中有大块的共晶渗碳体，性能很脆，不能锻造，故只能用它铸造某些铸件。因此将不能锻造的这一类铁碳合金称为生铁，而能够锻造的这一类称为钢。（二）生铁为什么比钢的铸造性能好？随着合金中含碳量的增加，合金的熔点越来越低。因此碳钢的熔化比生铁要困难。生铁不仅熔点低，且随含碳量的增加，其结晶间隔亦随之减小，因而铸造时具有良好的流动性。工业上大量采用生铁铸造零件，是和它的优良铸造性能分不开的。(三)利用Fe—Fe3C状态图还可确定钢的锻压温度范围钢的始锻温度应低于固相线150—200℃，终锻温度应在A1线以上70—100℃。如果加热温度超过始锻温度会出现金属的过热和过烧现象，低于终锻温度继续锻压，钢的塑性不足，锻造费力，且易出现开裂。钢的锻压温度范围与其化学成分也有关系。随着含碳量的增加，始锻温度亦相应降低。(四)Fe—Fe3C状态图是热处理时选择钢材加热温度的重要依据退火、正火，淬火和回火温度的选择都是根据状态图确定的。五、钢的热处理什么是钢的热处理？将钢在固态下加热到一定的温度，保温一定的时间，并以适当的速度冷却，来改变钢的组织，得到所需性能的一种工艺方法。热处理有何作用？提高钢的强度和硬度，改善钢的塑性和韧性等。因此，许多重要零件要进行热处理．例如，机床上有80％左右的零件要进行热处理，刀具、量具和模具全都要进行热处理。热处理工艺方法分类：热处理方法很多，但其中的任何一种都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。钢在加热时的组织转变：P→A（＞727℃）钢在冷却时的组织转变：1.高温转变产物A→P（＜727℃～550℃）共析转变珠光体：由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物，过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。2.中间转变产物共析钢奥氏体过冷到550-230℃之间等温转变的产物，属于贝氏体型组织(B)，是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体的硬度更高。3.低温转变产物共析钢奥氏体过冷到230℃以下陆续转变成为马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。马氏体的性能：硬度非常高，但塑性、韧度非常差。碳的质量分数越多，马氏体的硬度就越高，马氏体是一种不稳定的组织。钢的热处理工艺方法：1.钢的退火与正火钢的退火:钢件加热到高于或低于钢的临界点(Ac3或Ac1)，保温一定时间，随炉温缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺.根据退火的目的和加热温度的不同，退火工艺有多种.退火的作用：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度，便于机械加工；消除残余应力。Ac3Ac1钢的正火正火是将钢件加热到Ac3或Accm以上30—50℃，保温一定时间后，从炉中取出，在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火的主要区别是正火的冷却速度较快。因此，与退火相比，同一种钢正火后的珠光体片层较薄，晶粒较细，强度和硬度也较高，韧性也较好。Ac3Ac1Accm正火的作用：(1)最终热处理因为正火可消除铸造或锻造中产生的过热缺陷，细化晶粒，提高力学性能。(2)改善低碳钢的机械加工性能低碳钢硬度偏低，切削时易“粘刀”．正火后的硬度高于退火，从而改善了机械加工性。(3)预先热处理．例如，过共析钢组织中有严重网状渗碳体，先进行一次正火处理，削除网状渗碳体，为球化退火作组织准备。由于正火比退火的生产周期短，热能消耗少，操作简便。因此，在可能条件下，应以正火代替退火。钢的热处理工艺方法：2.钢的淬火与回火钢的淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一定时间后，在油中或水中快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是获得高硬度的马氏体组织。钢的回火：淬火钢一定要回火。回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，经保温一定时间后冷却的一种热处理工艺。回火的作用：稳定马氏体组织，降低钢件的淬火应力和脆性；回火后的钢有适当的强度、硬度以及较高塑性、韧性相配合的综合力学性能。淬火+高温回火──调质处理，简称调质。